Конструкционные и функциональные наноматериалы.
Наноматериалы – объекты с размером менее 100 нм. Объекты с наноразмерами имеют уникальные свойства вследствие значительной роли поверхностных прессов.
Нанотехнология – это набор технологий и методик, манипулирующих с отдельными атомами и молекулами в масштабах 1-100 нм(рис 2.27).
|
Один нанометр – одна миллиардная часть метра. Это пограничная точка на шкале изменений двух материальных объектов – сделанных человеком массивных материалов и отдельными атомами и молекулами, созданными природой. Физическая природа такого порогового значения нанометрового диапазона размеров состоит в том, что в таких объектах начинают проявляться квантово-механические свойства вещества. Это приводит к резкому изменению основных характеристик материалов. В наномире фундаментальные свойства материалов, такие как проводимость, точка плавления, твердость, зависят от размеров так, как не зависят ни в одном другом диапазоне размеров. Другими словами, наноструктурированные материалы могут иметь физику и химию, отличающуюся от обычных объемных материалов. Такая связь размеров объекта с физическими, химическими, электрическими свойствами является фундаментальной для понимания природы наноструктур.
Наука о наноматериалах находится только в начале своего становления. На основании расчетов, выполненных с помощью молекулярной термодинамики, показано, что микроструктура наноматериалов состоит и кристаллических зерен и аморфных межзеренных прослоек однородной толщины. Отношение объемной доли зернограничных прослоек к объемной доле нанозрен оставляет 50:50. Дислокаций в объеме нанозерн практически нет, а деформация реализуется главным образом за счет ротационного механизма.
Наноструктуры, которые могут быть использованы в качестве конструкционных или функциональных материалов, имеют различную химическую основу (рис. 2.28)
|
По типу макроскопического объекта, имеющего наноструктуру, материалы подразделяются на:
· Нанофазные – порошковые, из которых могут формироваться объемные образцы, называемые ультрамелкодиспрсными материалами (УДМ);
· Нанокристаллические объемные материалы – твердые тела с наноразмерной струкрутой, полчаемые из легированных сталей, сплавов и чистых метало (величина зерна при этом составляет 10-100 нм);
· Гетеронанослойные - наноламинаты, составляющие из периодически расположенных слоев различных материалов нанометровой толщины (10-20 нм);
· Нанокристаллические покрытия – нанопленки;
· Нанотрбки (диаметр до 2 нм, длина – дол микрометра).
Объемные нанокристаллические материалы, которые могут играть роль при создании авиаконструкций, получаются несколькими способами:
· Интенсивной пластической деформации (ИПД);
· Путем создания аморфных металлических объектов при сверхбыстрой закалке сплавов (АСМ) с последующей частичной кристаллизацией, приводящей к образованию наноструктур внутри объектов;
· Консолидацией ультрадисперсных порошков (УДМ).
Наноструктурированные многослойные материалы подразделяются на нанопленки и нанламинаты.
Нанопленки изготавливаются разнообразными газофазными методами, такими как осаждение напылением и химическое осаждение паров, а также гальваническим методом. Такие слоистые материалы имеют очень высокую твердость и износостойкость. Твердость повышается при уменьшении периода слоистости (т. е суммарной толщины двух слоев разных материалов). Причина повышенной твердости – несовпадение кристаллических структур соседних слоев. Чем более разятся параметры кристаллических решеток и сами типы решеток двух соседних слоев, тем выше твердость наноматериала.
Наноламинаты получают при прокате фольги различных материалов, но в основном чистых металлов. Кол-во этапов прокатки может достигать сотни раз. При следующих отжигах в слоях формируется наноструктура с размерами зерен 10-50 нм.
При получении наноматериалов существуют два принципиально различных подхода к созданию планируемых изделий: «сверху вниз» и «снизу вверх».
Подход «сверху вниз» основан на уменьшении размеров физических тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов с субмикроспокпическими или нанокристаллическими параметрами.
Идея технологии «снизу - вверх» заключается в том, что наноструктура может быть получены непосредственно из атомов, молекул. Аким образом, могут быт получены вещества при помощи сканирующего туннельного микроскопа, когда происходит поштучная укладка атомов на кристаллической поверхности.
В изделиях авиационной техники перспективны следующие нанообъеты: объемные материалы для деталей небольших размеров, листовые детали на основе наноламинатов, Нанопленки как на металлических, так и на полимерных композиционные материалах. Уникальные свойства наноматериалов, реализуемые при помощи специальных нанотехнологий, необходимы в авиационной технике для создания следующих групп материалов (рис.2.29):
· Высокожаропрочные материалы на основе керамических композитов дл деталей двигателя (до 1200-1600С);
· Сверхпрочные материалы, в том числе композиционные с титановой и железной матрицами, для силовых деталей;
· Сверхлегкие материалы на основе алюминия, титана, магния, ПКМ для конструкций планера, материалы с повышенной коррозионной стойкостью для конструкций планера;
· Термостойкий полимеры и композиты, выдерживающие температуры в 200-400С;
· «Интеллектуальные» функциональнее материалы.
|
